CN113552386B - 一种静电调谐分离式微机电加速度计及其闭环控制方法 - Google Patents

一种静电调谐分离式微机电加速度计及其闭环控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种静电调谐分离式微机电加速度计及其闭环控制方法，该加速度计包括至少一个敏感质量块、至少一对差分谐振器、驱动模块和检测模块；所述谐振器与敏感质量块非接触式连接，每个差分谐振器的两侧分别设置对应的驱动模块和检测模块，并与差分谐振器之间非接触式连接。所述加速度计控制方案包含两套闭环回路，其中所述差分谐振器受闭环驱动控制实现自激振荡，所述敏感质量块受电压反馈回路使得敏感质量块在加速度输入下不发生偏移。本发明避免多源应力互相传递干扰和电路噪声干扰，提高***精度和稳定性，且本发明工作于该控制模式下输出与加速度成线性关系，实现了高精度、高稳定性、环境依赖性小和结构设计便利的要求。

Description

一种静电调谐分离式微机电加速度计及其闭环控制方法
技术领域
本发明属于MEMS***中微惯性传感器技术领域，特别涉及一种静电调谐分离式微机电加速度计及其闭环控制方法。
背景技术
微机电(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)加速度计是微惯性传感器中重要的一部分，在航空航天、导航定位和姿态控制等领域发挥着举足轻重的作用。时至今日，随着性能的不断提升和小型化设计，MEMS加速度计逐步应用于生活的方方面面，因此对其性能有着更高的期待和要求。
近二十年来MEMS加速度计的研究重心也逐渐从电容式微机电加速度计转变为谐振式微机电加速度计。电容式微机电加速度计以电容间距的位移变化敏感加速度大小，其优势在于对环境依赖性较小，外界温度、应力等变化对器件影响较小，但是其通过幅度检测来测量位移变化易受后续电路噪声影响，使得性能受限；而谐振式微机电加速度计通过传递加速度引入的惯性力改变谐振器的等效刚度，通过测量其谐振频率敏感加速度大小，该方案将加速度信号在进入后续电路前直接调制到谐振频率上，避免了后续电路对其影响，但是应力传递方式对外界环境依赖性较大，易受残余应力、温度等因素影响，且目前主流的谐振式加速度计采用敏感质量块、惯性力放大杠杆、谐振梁连接一体化设计，导致敏感质量块和谐振梁之间的残余应力会通过惯性力放大杠杆互相传递、互相影响，限制了其性能稳定性。
综上所述，鉴于当前人们对于MEMS微机电加速度计的性能需求以及一些技术层面的共性问题，如何设计一种同时兼备电容式、谐振式微机电加速度计优势的全新加速度计及控制方法成为了本领域技术人员所亟待解决的问题。
发明内容
鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明的目的是提出一种静电调谐分离式微机电加速度计及其闭环控制方法，具体如下：
一种静电调谐分离式微机电加速度计，包括敏感质量块、第一差分谐振器、第二差分谐振器、驱动模块和检测模块；
所述敏感质量块的一端固定，敏感质量块与第一差分谐振器和第二差分谐振器的一端设置间隙且施加电压从而形成电容产生静电连接；第一差分谐振器和第二差分谐振器的另一端分别固定，；
每个差分谐振器的两侧分别设置对应的驱动模块和检测模块，并与差分谐振器之间非接触式连接。
所述加速度计控制方案包含两套闭环回路，其中所述差分谐振器受闭环驱动控制实现自激振荡，所述敏感质量块受电压反馈回路使得敏感质量块在加速度输入下不发生偏移。
与现有技术相比，本发明的优点主要在于：
(1)本发明将电容位移信号在进入后续电路前直接加载到谐振器频率信号中，相较于传统电容式微机电加速度计的幅度信号输出，本发明所述频率信号输出受后续电路噪声影响较小，可以获得更高的测量精度和***稳定性。
(2)本发明采用谐振器和敏感质量块非接触式设计，相较于传统谐振式微机电加速度计的谐振器-放大杠杆-质量块的级联设计，本发明所述设计方案避免了多源应力互相传递干扰。
(3)本发明采用的控制模式下频率平方差输出与加速度成完全线性关系，标度因数显著提高，且标度因数大小取决于与敏感质量块和谐振器等效质量，便于设计调节。
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步的详述。
附图说明
图1为本发明中简化的结构模型及控制方法示意图。
图2为本发明的结构受力分析示意图。
具体实施方式
一种静电调谐分离式微机电加速度计，包括敏感质量块1、第一差分谐振器2、第二差分谐振器3、驱动模块4和检测模块5；
所述敏感质量块1的一端固定，使其在加速度敏感方向可发生位移；敏感质量块1与第一差分谐振器2和第二差分谐振器3的一端设置间隙且施加电压从而形成电容产生静电连接；第一差分谐振器2和第二差分谐振器3的另一端分别固定；
当加速度输入时，敏感质量块1开环下会发生位置偏移，使得敏感质量块1和第一差分谐振器2和第二差分谐振器3之间的间距一个变大一个变小，导致第一差分谐振器2和第二差分谐振器3受到不同的轴向静电力，使得第一差分谐振器2和第二差分谐振器3处于不同的谐振频率。
每个差分谐振器的两侧分别设置对应的驱动模块4和检测模块5，并与差分谐振器之间非接触式连接。
对所述敏感质量块1施加直流偏置电压Vdc和交流高频载波电压Vcar，对第一差分谐振器2、第二差分谐振器3分别输入直流电压V0和直流电压-V0。
所述检测模块5用于检测并输出第一差分谐振器2和第二差分谐振器3的振动频率，并且将检测信号反馈到驱动模块4，使得驱动信号的频率大小和差分谐振器的谐振频率一样，实现第一差分谐振器2和第二差分谐振器3自振激荡，使其振动在最大振幅。
进一步的，所述检测模块5的一侧与差分谐振器非接触式相连，另一侧连接前端放大电路后分成三路信号，其中一路信号经过幅值提取、参考信号Aref比较和PID后与另一路信号合成闭环驱动反馈信号输入至驱动模块4，检测模块5输出的第三路信号通过读频电路后输出第一差分谐振器2和第二差分谐振器3的频率值，经过解算为频率平方差输出。
所述敏感质量块1上设置电压反馈回路和电容电压C-V转换电路，当加速度输入导致敏感质量块1发生位移时，敏感质量块1与任意一个差分谐振器之间的间距发生变化，使得电容值发生变化，电压反馈回路通过检测敏感质量块1与差分谐振器之间的电容值变化，经过电容电压C-V转换电路为电压信号，再经过幅值提取、PID控制转换为反馈电压施加到敏感质量块1上，使得敏感质量块1受到反馈静电力，将敏感质量块1返回至初始位置并稳定在初始平衡位置而不发生位移。
进一步的，所述敏感质量块1通过连接梁固定。
进一步的，所述敏感质量块1、第一差分谐振器2、第二差分谐振器3以及每个差分谐振器分别对应的驱动模块4和检测模块5为一组加速度检测模块，所述静电调谐分离式微机电加速度计中包括至少一组加速度检测模块。
一种静电调谐分离式微机电加速度计控制方法，包括以下步骤：
步骤1：静电调谐分离式微机电加速度计检测到有向某一侧的加速度时，敏感质量块1受到向另一侧的惯性力Fa，在开环状态下质量块向惯性力Fa同侧发生位移x，此时敏感质量块1与第一差分谐振器2和第二差分谐振器3之间的间距发生变化，从而电容值变化；
步骤2、对第一差分谐振器2施加直流电压V0，第二差分谐振器3施加直流电压-V0，对敏感质量块1直流偏置电压Vdc和交流高频载波电压Vcar，Vccar＝vcarsinωct，此时第一差分谐振器2和第二差分谐振器3与敏感质量块1之间的电势差分别为：
ΔV1＝Vdc-V0+vcarsinωct
ΔV2＝Vdc+V0+vcarsinωct
步骤3、第一差分谐振器2与敏感质量块1组成的电容将有含电容信号的电流持续流出，电流值为：
Figure BDA0003105903640000041
步骤4、步骤3中的电流i流入C-V转换电路转变为电压信号，经过幅值提取、PID控制成为反馈电压信号Vs施加到敏感质量块1上，使得敏感质量块1回归初始位置，此时第一差分谐振器2和第二差分谐振器3与敏感质量块1之间的电势差为：
Figure BDA0003105903640000042
Figure BDA0003105903640000043
反馈电压Vs的引入使敏感质量块1回归初始位置，即x＝0，则此时：
Fe1-Fe2＝Fa
Figure BDA0003105903640000044
其中M为敏感质量块1的等效质量，a为输入加速度大小；
由于高频载波信号对后续静电力的传递及谐振器频率的改变没有影响，为方便推导可将其省去，则反馈电压Vs为：
Figure BDA0003105903640000045
步骤5、将施加的直流偏置Vdc设为0，使得敏感质量块1平衡在初始0位置，则：
Figure BDA0003105903640000051
此时对第一差分谐振器2和第二差分谐振器3的静电拉力分别为大小为：
Figure BDA0003105903640000052
Figure BDA0003105903640000053
步骤6、根据步骤5获得的静电拉力值确定第一差分谐振器2和第二差分谐振器3的振动频率：
Figure BDA0003105903640000054
Figure BDA0003105903640000055
其中m为单个谐振器的等效质量，kr为单个谐振器的等效刚度，β为轴向力转化为刚度的比例系数，将Vs代入，得频率平方差输出为：
Figure BDA0003105903640000056
即可得到输入加速度的值，由上式可知第一差分谐振器2和第二差分谐振器3频率平方差输出与加速度a呈现完全线性关系，且标度因数大小与敏感质量块1等效质量M和第一差分谐振器2和第二差分谐振器3等效质量m有关，与其他电学参数无关，极大程度便捷了优化过程。
进一步的，步骤1中，当加速度方向向右时，敏感质量块1受到向左的惯性力Fa，在开环状态下敏感质量块1向左发生位移x，第一差分谐振器2与敏感质量块1间距变为d0+x，第二差分谐振器3与敏感质量块1间距变为d0-x，则此时第一差分谐振器2、第二差分谐振器3与敏感质量块1形成点电容值分别为：
Figure BDA0003105903640000057
其中，ε为介电常数，A为极板重合面积，d0为极板初始间距；
当当加速度方向向左时，敏感质量块1受到向右的惯性力Fa，在开环状态下敏感质量块1向右发生位移x，此时第一差分谐振器2与敏感质量块1间距变为d0-x，第二差分谐振器3与敏感质量块1间距变为d0+x，则此时第一差分谐振器2、第二差分谐振器3与敏感质量块1形成点电容值分别为：
Figure BDA0003105903640000061
其中，ε为介电常数，A为极板重合面积，d0为极板初始间距。
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例
结合图1，一种静电调谐分离式微机电加速度计，包括敏感质量块1、第一差分谐振器2、第二差分谐振器3、驱动模块4和检测模块5；
所述敏感质量块1的一端固定，使其在加速度敏感方向可发生位移；敏感质量块1与第一差分谐振器2和第二差分谐振器3的一端设置间隙且施加电压从而形成电容产生静电连接；第一差分谐振器2和第二差分谐振器3的另一端分别固定；
当加速度输入时，敏感质量块1开环下会发生位置偏移，使得敏感质量块1和第一差分谐振器2和第二差分谐振器3之间的间距一个变大一个变小，导致第一差分谐振器2和第二差分谐振器3受到不同的轴向静电力，使得第一差分谐振器2和第二差分谐振器3处于不同的谐振频率。
每个差分谐振器的两侧分别设置对应的驱动模块4和检测模块5，并与差分谐振器之间非接触式连接。
对所述敏感质量块1施加直流偏置电压Vdc和交流高频载波电压Vcar，对第一差分谐振器2、第二差分谐振器3分别输入直流电压V0和直流电压-V0。
所述检测模块5用于检测并输出第一差分谐振器2和第二差分谐振器3的振动频率，并且将检测信号反馈到驱动模块4，实现第一差分谐振器2和第二差分谐振器3自振激荡。
进一步的，所述检测模块5的一侧与差分谐振器非接触式相连，另一侧连接前端放大电路后分成三路信号，其中一路信号经过幅值提取、参考信号Aref比较和PID后与另一路信号合成闭环驱动反馈信号输入至驱动模块4，检测模块5输出的第三路信号通过读频电路后输出第一差分谐振器2和第二差分谐振器3的频率值，经过解算为频率平方差输出。
所述敏感质量块1上设置电压反馈回路和电容电压C-V转换电路，当加速度输入导致敏感质量块1发生位移时，敏感质量块1与任意一个差分谐振器之间的间距发生变化，使得电容值发生变化，电压反馈回路通过检测敏感质量块1与差分谐振器之间的电容值变化，经过电容电压C-V转换电路为电压信号，再经过幅值提取、PID控制转换为反馈电压施加到敏感质量块1上，使得敏感质量块1受到反馈静电力，将敏感质量块1返回至初始位置并稳定在初始平衡位置而不发生位移。
进一步的，所述敏感质量块1通过连接梁固定。
进一步的，所述敏感质量块1、第一差分谐振器2、第二差分谐振器3以及每个差分谐振器分别对应的驱动模块4和检测模块5为一组加速度检测模块，所述静电调谐分离式微机电加速度计中包括至少一组加速度检测模块。
结合图1、2，一种静电调谐分离式微机电加速度计控制方法，包括以下步骤：
步骤1：当加速度方向向右时，敏感质量块1受到向左的惯性力Fa，在开环状态下敏感质量块1向左发生位移x，第一差分谐振器2与敏感质量块1间距变为d0+x，第二差分谐振器3与敏感质量块1间距变为d0-x，则此时第一差分谐振器2、第二差分谐振器3与敏感质量块1形成点电容值分别为：
Figure BDA0003105903640000071
其中，ε为介电常数，A为极板重合面积，d0为极板初始间距；
步骤2、对第一差分谐振器2施加直流电压V0，第二差分谐振器3施加直流电压-V0，对敏感质量块1直流偏置电压Vdc和交流高频载波电压Vcar，Vcar＝vcarsinωct，此时第一差分谐振器2和第二差分谐振器3与敏感质量块1之间的电势差分别为：
ΔV1＝Vdc-V0+vcarsinωct
ΔV2＝Vdc+V0+vcarsinωct
步骤3、第一差分谐振器2与敏感质量块1组成的电容将有含电容信号的电流持续流出，电流值为：
Figure BDA0003105903640000081
步骤4、步骤3中的电流i流入C-V转换电路转变为电压信号，经过幅值提取、PID控制成为反馈电压信号Vs施加到敏感质量块1上，使得敏感质量块1回归初始位置，此时第一差分谐振器2和第二差分谐振器3与敏感质量块1之间的电势差为：
Figure BDA0003105903640000082
Figure BDA0003105903640000083
反馈电压Vs的引入使敏感质量块1回归初始位置，即x＝0，则此时：
Fe1-Fe2＝Fa
Figure BDA0003105903640000084
其中M为敏感质量块1的等效质量，a为输入加速度大小；
由于高频载波信号对后续静电力的传递及谐振器频率的改变没有影响，为方便推导可将其省去，则反馈电压Vs为：
Figure BDA0003105903640000085
步骤5、将施加的直流偏置Vdc设为0，使得敏感质量块1平衡在初始0位置，则：
Figure BDA0003105903640000086
此时对第一差分谐振器2和第二差分谐振器3的静电拉力分别为大小为：
Figure BDA0003105903640000087
Figure BDA0003105903640000088
步骤6、根据步骤5获得的静电拉力值确定第一差分谐振器2和第二差分谐振器3的振动频率：
Figure BDA0003105903640000089
Figure BDA0003105903640000091
其中m为单个谐振器的等效质量，kr为单个谐振器的等效刚度，β为轴向力转化为刚度的比例系数，将Vs代入，得频率平方差输出为：
Figure BDA0003105903640000092
即可得到输入加速度的值，由上式可知第一差分谐振器2和第二差分谐振器3频率平方差输出与加速度a呈现完全线性关系，且标度因数大小与敏感质量块1等效质量M和第一差分谐振器2和第二差分谐振器3等效质量m有关，与其他电学参数无关，极大程度便捷了优化过程。
综上所述，本发明所提供的一种静电调谐分离式微机电加速度计及其闭环控制方法，可以实现高精度、高稳定性、环境依赖性小和结构设计便利的要求。
最后，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员成当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种静电调谐分离式微机电加速度计，其特征在于，包括敏感质量块(1)、第一差分谐振器(2)、第二差分谐振器(3)、驱动模块(4)和检测模块(5)；
所述敏感质量块(1)的一端固定，敏感质量块(1)与第一差分谐振器(2)和第二差分谐振器(3)的一端设置间隙且施加电压从而形成电容产生静电连接；第一差分谐振器(2)和第二差分谐振器(3)的另一端分别固定；
每个差分谐振器的两侧分别设置对应的驱动模块(4)和检测模块(5)，并与差分谐振器之间非接触式连接；
基于以上静电调谐分离式微机电加速度计的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：静电调谐分离式微机电加速度计检测到有向某一侧的加速度时，敏感质量块(1)受到向另一侧的惯性力Fa，在开环状态下质量块向惯性力Fa同侧发生位移x，此时敏感质量块(1)与第一差分谐振器(2)和第二差分谐振器(3)之间的间距发生变化，从而电容值变化，具体为：
当加速度方向向右时，敏感质量块(1)受到向左的惯性力Fa，在开环状态下敏感质量块(1)向左发生位移x，第一差分谐振器(2)与敏感质量块(1)间距变为d0+x，第二差分谐振器(3)与敏感质量块(1)间距变为d0-x，则此时第一差分谐振器(2)、第二差分谐振器(3)与敏感质量块(1)形成点电容值分别为：
其中，ε为介电常数，A为极板重合面积，d0为极板初始间距；
当加速度方向向左时，敏感质量块(1)受到向右的惯性力Fa，在开环状态下敏感质量块(1)向右发生位移x，此时第一差分谐振器(2)与敏感质量块(1)间距变为d0-x，第二差分谐振器(3)与敏感质量块(1)间距变为d0+x，则此时第一差分谐振器(2)、第二差分谐振器(3)与敏感质量块(1)形成点电容值分别为：
其中，ε为介电常数，A为极板重合面积，d0为极板初始间距
步骤2、对第一差分谐振器(2)施加直流电压V0，第二差分谐振器(3)施加直流电压-V0，对敏感质量块(1)直流偏置电压Vdc和交流高频载波电压Vcar，Vcar＝vcarsinωct，此时第一差分谐振器(2)和第二差分谐振器(3)与敏感质量块(1)之间的电势差分别为：
ΔV1＝Vdc-V0+vcarsinωct
ΔV2＝Vdc+V0+vcarsinωct
步骤3、第一差分谐振器(2)与敏感质量块(1)组成的电容将有含电容信号的电流持续流出，电流值为：
步骤4、步骤3中的电流i流入C-V转换电路转变为电压信号，经过幅值提取、PID控制成为反馈电压信号Vs施加到敏感质量块(1)上，使得敏感质量块(1)回归初始位置，此时第一差分谐振器(2)和第二差分谐振器(3)与敏感质量块(1)之间的电势差为：
反馈电压Vs的引入使敏感质量块(1)回归初始位置，即x＝0，则此时：
Fe1-Fe2＝Fa
其中M为敏感质量块(1)的等效质量，a为输入加速度大小；
反馈电压Vs为：
步骤5、将施加的直流偏置Vdc设为0，使得敏感质量块(1)平衡在初始0位置，则：
此时对第一差分谐振器(2)和第二差分谐振器(3)的静电拉力分别为大小为：
步骤6、根据步骤5获得的静电拉力值确定第一差分谐振器(2)和第二差分谐振器(3)的振动频率：
其中m为单个谐振器的等效质量，kr为单个谐振器的等效刚度，β为轴向力转化为刚度的比例系数，将Vs代入，得频率平方差输出为：
即可得到输入加速度的值。
2.根据权利要求1所述的静电调谐分离式微机电加速度计，其特征在于，对所述敏感质量块(1)施加直流偏置电压Vdc和交流高频载波电压Vcar，对第一差分谐振器(2)、第二差分谐振器(3)分别输入直流电压V0和直流电压-V0。
3.根据权利要求1所述的静电调谐分离式微机电加速度计，其特征在于，所述检测模块(5)用于检测并输出第一差分谐振器(2)和第二差分谐振器(3)的振动频率，并且将检测信号反馈到驱动模块(4)，实现第一差分谐振器(2)和第二差分谐振器(3)自振激荡。
4.根据权利要求3所述的静电调谐分离式微机电加速度计，其特征在于，所述检测模块(5)的一侧与差分谐振器非接触式相连，另一侧连接前端放大电路后分成三路信号，其中一路信号经过幅值提取、参考信号Aref比较和PID后与另一路信号合成闭环驱动反馈信号输入至驱动模块(4)，检测模块(5)输出的第三路信号通过读频电路后输出第一差分谐振器(2)和第二差分谐振器(3)的频率值。
5.根据权利要求1所述的静电调谐分离式微机电加速度计，其特征在于，所述敏感质量块(1)上设置电压反馈回路和电容电压C-V转换电路，当加速度输入导致敏感质量块(1)发生位移时，敏感质量块(1)与任意一个差分谐振器之间的间距发生变化，使得电容值发生变化，电压反馈回路通过检测敏感质量块(1)与差分谐振器之间的电容值变化，经过电容电压C-V转换电路为电压信号，再经过幅值提取、PID控制转换为反馈电压施加到敏感质量块(1)上，使得敏感质量块(1)受到反馈静电力，将敏感质量块(1)返回至初始位置并稳定在初始平衡位置而不发生位移。
6.根据权利要求1所述的静电调谐分离式微机电加速度计，其特征在于，所述敏感质量块(1)通过连接梁固定。
7.根据权利要求1所述的静电调谐分离式微机电加速度计，其特征在于，所述敏感质量块(1)、第一差分谐振器(2)、第二差分谐振器(3)以及每个差分谐振器分别对应的驱动模块(4)和检测模块(5)为一组加速度检测模块，所述静电调谐分离式微机电加速度计包含至少一组加速度检测模块。
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